Röle tabanlı işbirlikli üstüne serme bilişsel radyo ağlarının tasarımı ve başarım analizi

Telsiz iletişimin hızla artan büyümesi, artan sayıda gelişmiş telsiz uygulamalar ve servisler desteklemeye yönelik talebin artması nedeniyle, radyo spektrumunun kullanılabilirliği oldukça yetersiz olmaktadır. Ayrıca, birçok çalışma, spektrumun çoğunun verimli kullanılmadığını bildirmiştir. Böyle bir sorunu çözmek için, bilişsel radyo (cognitive radio -- CR), radyo spektrumunun kullanımının artırılması için umut verici bir teknoloji olarak önerilmiştir. Bu teknoloji yetersiz kullanım karşısında spektrum kıtlığını etkili bir şekilde çözebilir. CR ağlarında lisanssız ikincil kullanıcıların (secondary users -- SU) birincil kullanıcılar (primary users -- PU) için lisanslanmış radyo spektrumunun kullanmasına veya paylaşmasına aktif veya aktif olmadıklarında PU'lerin başarımını düşürmeden izin verilir. CR ile ilgili araştırma üç temel spektrum paylaşım yaklaşımı ile sınıflandırılabilir: araya karıştırma (interweave), altına serme (underlay), ve üstüne serme (overlay). Araya karıştırma yaklaşımında, SU'lerin sadece PU'ler aktif olmadığında spektrumu kullanmalarına izin verilir. Altına serme yaklaşımında, SU'ların, PU'lerin alıcılarında kabul edilebilir bir girişim seviyesi ile spektrumları PU'ler ile paylaşmasına izin verilir. Üstüne serme yaklaşımında, SU'ların akıllı olmaları ve PU'ler arasındaki iletişimi işbirlikli olarak sürdürmeleri ya da geliştirebilmeleri ve aynı anda kendi iletişim için spektruma erişebildikleri varsayılmaktadır. Bu tez boyunca üstüne serme yaklaşımını ele alıyoruz. Kıt spektrumun verimli kullanımını daha da artırmak için uzaysal modülasyon (spatial modulation -- SM) ve ortogonal olmayan çoklu erişim (non-orthogonal multiple access -- NOMA) gibi, çeşitli modülasyon ve çoklu erişim teknikleri önerilmiştir. SM ve NOMA, spektrum kullanımını ve ağ kapasitesini verimli bir şekilde geliştirmek için, sırasıyla uzaysal ve güç alanları kullanırlar. SM, çoklu giriş çoklu çıkış (multiple input multiple output -- MIMO) sistemlerinde kanallararası girişim ve anten arası eşzamanlama sorununu etkin bir şekilde ortadan kaldıran uzaysal çoğullama tekniği olarak önerilmiştir. SM, her işaretleşme aralığında sadece bir verici antenin aktif olmasına izin verir; yani her işaretleşme aralığında sadece bir radyo frekans zinciri kullanılır. SM, klasik genlik ve faz modülasyonu (amplitude and phase modulation -- APM) tekniklerinin kullanımının yanı sıra bilgi aktarımı için aktif anten indisini kullanarak spektral verimliliği artırır. SM'nin başarımını daha da artırmak için verici anten seçimi (transmit antenna selectıon -- TAS) teknikleri önerilmiştir: özellikle kapasite en uygun hale getirmek için anten seçimi (capacity optimized antenna selection -- COAS) ve Öklid uzaklığını en uygun hale getirmek için anten seçimi (Euclidean distance optimized antenna selection -- EDAS). Öte yandan, NOMA, 5G sistemleri için bir spectrum-verimli çoklu-kullanıcı erişim adayıdır. NOMA, aynı zaman/frekans kaynak bloğu ile ancak farklı güç seviyelerine sahip birden fazla kullanıcıyı destekler. Buda geleneksel ortogonal çoklu erişim (orthogonal multiple access -- OMA) tekniklerine göre spektral verimliliği önemli ölçüde artırır. İki kullanıcılı bir senaryoda, NOMA, daha düşük kanal kazancı olan kullanıcıya daha yüksek güç ve daha iyi kanal kazancı olan kullanıcıya daha az güç ayırır. Daha iyi kanal kazancı olan kullanıcı, sinyal tespiti için ardışık girişim iptalini (successive interference cancellation -- SIC) kullanırken, zayıf kanal kazancı olan kullanıcı, diğer kullanıcının sinyalini girişim olarak düşünür ve doğrudan sinyal kestirimi yapar. NOMA'nın başarımı, kullanıcı eşleştirmesi kullanılarak geliştirilebilir, diğer bir deyişle, kullanıcıların birbirleriyle daha farklı kanal kazanımlarını eşleştirir. Çeşitli araştırmacılar, üstüne serme CR ağlarında SM'yi araştırdılar ve ikincil vericide SM'yi kullanmayı uyguladılar. İkincil verici, birincil vericinin sembolünü birincil alıcıya aktarmak için APM tekniğini kullanırken, kendi mesajını ise ikincil alıcıya iletmek için anten indisini kullanmıştır. NOMA'nın CR ağlarında uygulanması son zamanlarda, sistem başarımını daha da iyileştirmek için, kesinti olasılığı, kapasite analizi, enerji verimliliği ve güç tahsisi teknikleri ile ilgili sorunların araştılması birçok araştırmacının ilgisini çekmiştir. Bu tez çalışmasında, üstüne serme CR ağlarında NOMA, SM ve TAS tekniklerinin birleştirmesi amaçlanmaktadır. NOMA ve SM'nin birleştirmesi, güç ve uzaysal alanları kullanarak ağın spektral verimliliğini arttırır. TAS tekniklerinin kullanımı birincil alıcıya sağlanan hizmet kalitesini (quality of service -- QoS) artırmakta ve sistemin enerji verimliliğini arttırmaktadır. İlk olarak, NOMA'yı üstüne serme CR ağlarında hem yukarı yönlü bağlantı (uplink) hem de aşağı yönlü bağlantı (downlink) içerisinde tek anten kullanıcılarıyla uyguladık. Bölüm 3'te, NOMA ve fiziksel katman ağı kodlamasını (physical layer network coding -- PLNC) kullanarak üstüne serme CR ağları için iki yönlü bir iki fazlı spektrum paylaşım protokolü önermekteyiz. Bu protokolün başlıca katkısı şudur: SU (bir röle olarak çalışan), PU'lerin arasındaki iki yönlü iletimi sürdürür ve diğer SU ile iki yönlü bir iletim oluşturur. Buda daha yüksek spektral verimlilik ve dolayısıyla geliştirilmiş sistemin kapasitesi literatürde önerilen bazı protokollere göre daha iyi sonuç verir. Bu çalışmada hem PU'ler hem de SU'lar için kesinti olasılıkları için kapalı biçim ifadeleri türetilmiş ve Monte Carlo bilgisayar benzetimleri yardımıyla değerlendirilmiştir. Bölüm 4'te, üstüne serme CR ağlarında NOMA ve SM'nin birleştirmesi inceledik. Çoklu anten birincil verici (primary transmitter -- PT), birincil alıcı (primary receiver -- PR), ikincil verici (secondary transmitter -- ST) ve ikincil alıcıdan (secondary receiver -- SR) oluşan bir üstüne serme CR ağını ele almaktayız. Önerilen protokol ST'nin hem PR'ye hem de SR'ye NOMA ve SM kullanarak aynı anda iletmesine izin verir. NOMA ve SM'nin kullanımı hem PR hem de SR için spektral verimliliği artırır. NOMA ile, SR SIC kullanıp, PR'nin yönelen sinyalini çözüp alınan sinyalinden çıkarır, ve sonra kendi sinyalini çözer. PR ise kendi sinyalini çözmek için, SR'nin yönelen sinyali bir girişim olarak ele alarak, direkt çözme yapar. Bu, alıcıların her alıcıda her iki SM sembolünü ortak olarak algılamak zorunda olduğu NOMA'sız duruma kıyasla önemli ölçüde çözme karmaşıklığını azaltır. İlave olarak, PR için daha yüksek bir hizmet kalitesi (QoS) sağlamak için, PR'ye göre ST'de TAS tekniklerinin uygulanmasını önerdik. İlk olarak, ST'nin PR'ye SM iletimi için PR'ye göre en yüksek kanal kazancı olan antenleri atadığı COAS kullanımını değerlendirdik. PR tarafından, bu, birincil sembolün yüksek kazançlı kanallardan birinden ( PR'ye göre) gönderilmesini ve ikincil sembolün düşük kazançlı kanallardan ( PR'ye göre) gönderilmesini sağlayacaktır, ve PR'de ikincil girişiminin azalmasıyla sonuçlanacaktır. Buda AS olmayan durumla karşılaştırıldığında PR'nin başarımını artıracaktır. Öte yandan, SR tarafından, ST'nin antenlerinin yeni sıralaması SR'ye göre hala rastgele olduğu için SR'nin başarımını ortalama olarak etkilenmeyecektir. Önerilen protokolün başarımı, PR ve SR'deki ortalama sembol hatası olasılıkları (symbol error probability -- SEP) için üst sınırların türetilmesi yoluyla araştırılmış ve Monte Carlo bilgisayar benzetimleri yardımıyla değerlendirilmiştir. Bölüm 5'te, üstüne serme CR ağlarında NOMA, SM ve EDAS yöntemlerinin birleşimini inceledik. PR'ye göre ST'de EDAS kullanımı, PR'nin SEP'inin azaltılmasında önemli ölçüde sonuç vermektedir; çünkü PR'deki SM simge kümesinin elemanları arasından en düşük Öklid mesafesini en büyükleyen anten alt-kümesini seçer. Bölüm 4'te görüldüğü gibi bu SR'nin başarımını ortalama olarak etkilemeyecektir, çünkü ST'deki antenlerin yeniden sıralaması, SR'ye göre rastgele kalır. PR ve SR için BPSK kullanılması ve ST'deki verici antenlerden iki verici anten seçimi için PR'nin SEP'i için bir üst sınırın türetilmesi yoluyla önerilen protokolün başarımını değerlendirdik. Ayrıca, önerilen protokolün başarımını COAS ve AS olmayan protokollar ile Monte Carlo bilgisayar benzetimleri yardımıyla karşılaştırdık. Son olarak, CR'de NOMA ve SM'nin kullanımı, güç ve uzaysal alanların kullanımı yoluyla daha fazla veriyle daha fazla kullanıcıya hizmet verilmesini sağlar ve spektral verimliliği ve dolayısıyla sistem kapasitesini artırır. CR ağlarında NOMA-SM'ye TAS tekniklerinin uygulamalarının, PR protokolünün başarımını, SR'nin performansını etkilemeden önemli ölçüde iyileştirdiği gösterilmiştir. Bu da, ikincil vericinin iletim gücünde önemli bir tasarruf sağlayarak, ağın enerji verimliliğini arttırır. Ayrıca önerilen protokol CR-NOMA-SM'nin EDAS ile başarımının, COAS ile CR-NOMA-SM'ye kıyasla çok daha fazla iletim çeşitliliği sağladığı gösterilmiştir, ama artan karmaşıklığın bir sonucu olarak, düşük karmaşıklığı EDAS algoritmaları kullanılarak azaltılabilir.